Estudo de propagação de fratura em compósitos odontológicos utilizando tomografia por coerência óptica

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ODONTOLOGIA MESTRADO EM CLÍNICA INTEGRADA. ANA KARLA SOUZA BRAZ. ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA. Recife 2008.

(2) ANA KARLA SOUZA BRAZ. ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA. Dissertação apresentada ao colegiado da Pós-graduação em Odontologia do Centro de Ciências da Saúde da Universidade Federal de Pernambuco como requisito parcial para obtenção do grau de mestre em Odontologia com área de concentração em Clínica Integrada.. Orientador: Prof. Dr. Anderson S. L. Gomes. Recife 2008.

(3) Braz, Ana Karla Souza Estudo de propagação de fratura em compósitos odontológicos utilizando tomografia por coerência óptica / Ana Karla Souza Braz. – Recife: O Autor, 2008. 14 folhas. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CCS. Odontologia, 2008. Inclui bibliografia e anexos. 1. Propagação de fratura em compósitos odontológicos. 2. Tomografia por coerência óptica – Odontologia. I.Título. 616.314 617.695. CDU (2.ed.) CDD (22.ed.). UFPE CCS2008-033.

(4) DEDICATÓRIA. Em primeiro lugar a DEUS, que tem iluminado meus caminhos e meus pensamentos.. Aos meus pais FRANCISCO E JANEIDE, por sempre terem me incentivado a estudar e a vencer na vida pelo caminho do trabalho, esforço e dignidade. Obrigada por terem sempre me apoiado em todas as jornadas e pela confiança em mim depositada.. Ao meu marido RODIVAN, companheiro em todos os momentos, por ser tão compreensivo, proporcionando-me a tranqüilidade necessária e sempre me incentivando nas horas de desânimo. Do fundo do meu coração, agradeço pela doação e, principalmente, pela paciência e companheirismo que você sempre demonstrou durante todos os instantes de nossas vidas. Amo muito você!. À minha filha NATÁLIA, fonte de toda luz e pureza, você foi o melhor presente de DEUS. Seu sorriso me transmite paz, realização e conforto. Você é a razão de minha vida..

(5) AGRADECIMENTO ESPECIAL. Ao meu orientador Prof. Dr. ANDERSON STEVENS LEÔNIDAS GOMES, agradeço pela maneira como me recebeu e como sempre me tratou ao longo desses anos. Seus ensinamentos e a confiança em mim depositada serão eternamente lembrados. Obrigada por ter acreditado em mim, por não ter medido esforços quando foi necessário, por permitir minhas manifestações científicas e por ter me dado liberdade para trabalhar. Sua participação foi fundamental para que este trabalho pudesse avançar e chegar ao final..

(6) AGRADECIMENTOS. À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, especialmente à Pós-graduação em Odontologia, na pessoa do coordenador Prof. Dr. JAIR CARNEIRO LEÃO, por ter me oportunizado a realização deste curso.. AO CORPO DOCENTE E PROFESSORES CONVIDADOS DO PROGRAMA DE PÓSGRADUAÇAO EM ODONTOLOGIA DA UFPE, que contribuíram para a minha formação. Obrigada pela dedicação e orientação científica recebida.. À. PÓS-GRADUAÇÃO. DA. FOP/UPE,. na. pessoa. do. coordenador. do. curso. de. Mestrado/Doutorado em Dentística, Prof. Dr. RODIVAN BRAZ, pela disponibilização do Laboratório de Pesquisa em Biomateriais para confecção dos corpos de prova e realização dos ensaios mecânicos.. Ao aluno de Doutorado em Física, BERNARDO KYOTOKU, pela ajuda no laboratório durante a confecção das imagens e na manipulação do equipamento de OCT.. Aos FUNCIONÁRIOS DA PÓS-GRADUAÇÃO, vocês são importantíssimos para o nosso desempenho. Sintam-se parte deste trabalho.. Aos COLEGAS DE MESTRADO, cujo convívio levarei para sempre em minhas lembranças.. A todos que de forma direta ou indireta ajudaram na realização deste trabalho..

(7) SUMÁRIO. DEDICATÓRIA AGRADECIMENTO ESPECIAL AGRADECIMENTOS APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO RESUMO ABSTRACT. 1. INTRODUÇÃO -. 1.1 Descrição do Equipamento de OCT ------------------------------------------- 8. -. 1.2 Estudo de Propagação de Fratura em compósitos utilizando OCT -------- 9. 2. REFERÊNCIAS --------------------------------------------------------------------------------- 11 3. ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------------- 14 ARTIGO 1: Fiber-reinforced composite analysis using optical coherence tomography after mechanical and thermal cycling ARTIGO 2: Evaluation of crack propagation in dental composites by optical coherence tomography.

(8) APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO. Esta dissertação consta de dois artigos científicos publicados em revistas internacionais como descrito abaixo:. Artigo 1: Fiber-reinforced composite analysis using optical coherence tomography after mechanical and thermal cycling Referência: Bernardo C. Kyotoku, Ana Karla S. Braz, Rodivan Braz, Anderson S. L. Gomes. Fiberreinforced composite analysis using optical coherence tomography after mechanical and thermal cycling Proceedings of SPIE, Vol. 6425, Lasers in Dentistry XIII, Peter Rechmann, Daniel Fried, Editors, 64250B (Mar. 8, 2007) doi:10.1117/12.700929.. Artigo 2: Evaluation of crack propagation in dental composites by optical coherence tomography Referência: Ana K.S. Braz, Bernardo C. Kyotoku, Rodivan Braz, Anderson S.L. Gomes. Evaluation of crack propagation in dental composites by optical coherence tomography, Dent Mater (2008), doi:10.1016/j.dental.2008.04.011.

(9) RESUMO ESTUDO DE PROPAGAÇÃO DE FRATURA EM COMPÓSITOS ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO TOMOGRAFIA POR COERÊNCIA ÓPTICA. Estudos atuais sobre os príncipios da fadiga consideram que o processo de fratura ocorre em três fases: início da fratura, fratura de propagação lenta e fratura final. O objetivo deste estudo foi de analisar os sítios de início de fratura e da fase de propagação lenta da fratura em compósitos odontológicos reforçados por fibra, utilizando imagens geradas usando a tomografia por coerência óptica. A investigação microscópica tradicional, mais comumente utilizada para estudar estes materiais, é uma técnica destrutiva, a qual requer o seccionamento das amostras, e é essencialmente uma medida de superfície. Com base nestas considerações, nesta pesquisa analisamos o interior de amostras de resinas compostas reforçadas com fibras, antes e após ciclagem termo/mecânica, simulando as condições orais e utilizando a tomografia por coerência óptica (TCO). O sistema utilizado usou a técnica de TCO no domínio de Fourier trabalhando com um comprimento de onda de 800nm e 6µm de resolução espacial axial. A longo prazo, as fraturas causam invasões bacterianas, as quais causam a formação de placa e cálculo, provocando conseqüentemente cárie e doença periodontal. Sendo assim, imagens não invasivas de compósitos dentais , possibilitam uma avaliação clínica periódica que asseguram a saúde do paciente. Além disso, imagens em TCO são poderosos métodos de análise quantitativa da propagação de fratura, e pode ser potencialmente usada in vivo.. Palavras-chave Resina, Tomografia por coerência óptica, propagação de fratura.

(10) ABSTRACT CRACK PROPAGATION STUDY IN DENTAL COMPOSITES BY OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY. Contemporary approaches to fatigue principles consider a fracture process in three phases: crack initiation, slow crack growth, and fast fracture. The purpose of this study was to analyze the sites of fracture initiation and slow crack propagation in a fiber reinforced composite, using images produced by the optical coherence tomography. The traditional microscopy investigation, most commonly used to study this material, is a destructive technique, which requires specimen sectioning and are essentially surface measurements. On the basis of these considerations, in this research we analyzed the interior of a dental sample reinforced with fiber after a mechanical and thermal cycling to emulate oral conditions using optical coherence tomography (OCT). The device we are using is a home built Fourier domain OCT working at 800 nm with 6 μm special-axial resolution. In long term, fractures allow bacterial invasion provoking plaque and calculus formation that can cause caries and periodontal disease. Therefore, non invasive imaging of the bridge fiber enables the possibility of periodic clinical evaluation to ensure the patient health. Furthermore, OCT images can provide a powerful method for quantitative analysis of crack propagation, and can potentially be used for in vivo.. Keyword Resin, Optical Coherence Tomography, Crack Propagation.

(11) INTRODUÇÃO. 1.1 Descrição da Técnica de Tomografia por Coerência Óptica (TCO). Tomografia por coerência óptica (TCO) é uma nova modalidade de diagnóstico por imagem que foi apresenta pela primeira vez em 1991 por Huang et al. A TCO produz imagens das estruturas internas de materiais e sistemas, e se baseia na medida da luz refletida e retroespalhada no meio em estudo. Podem ser obtidas imagens com resolução entre 1-15µm e em tempo real. (BOUMA, TEARNEY,2002; FUJIMOTO,2003). O princípio do funcionamento da TCO é semelhante ao ultra-som, que é uma modalidade clínica bem estabelecida, para imageamento das estruturas internas do corpo (KREMKAU, 1984; FISH,1990; KREMKAU, 1990; ZWIEBEL, 1992; ERBEL, 1998) . O ultrasom é usado em muitas aplicações clínicas, incluindo imagens internas de órgãos, imagens endoscópicas e intravasculares. Neste sistema, uma onda sonora de alta freqüência é lançada dentro do material ou tecido sendo formada a imagem, a onda sonora então é refletida ou retroespalhada destas estruturas que possuem diferentes propriedades acústicas (FUGIMOTO, 2002).. Na Tomografia por Coerência Óptica, medidas da distância e da microestrutura são executadas utilizando a luz, que é refletida e retroespalhada pelas características microestruturais internas ao material ou tecido (HUANG, 1991). A diferença principal entre o ultra-som e a TCO é que a velocidade da luz é aproximadamente um milhão de vezes mais rápida do que a velocidade do som. Também é importante notar que, por causa da imagem de ultra-som depender de ondas sonoras, ele requer o contato direto com o material ou tecido para que haja a transmissão das ondas sonoras. A imagem em TCO, ao contrário, pode ser realizada sem contato físico ou necessidade de um meio especial de transmissão..

(12) Os componentes básicos de um sistema de tomografia por coerência óptica são o interferômetro de Michelson (espelhos, divisor de feixe e fotodetector) e a fonte de luz. Existem dois domínios para implementação da TCO: O domínio temporal e o domínio de Fourier ou espectral. O domínio temporal é a modalidade clássica, e é denominada assim devido à coincidência temporal entre a luz vinda do braço de referência e a luz vinda da região sondada. Uma nova forma de determinar a estrutura. Outra forma de determinar a estrutura de um objeto a partir da informação do espectro da luz retroespalhada foi descrita. Essa foi a primeira demonstração do conceito de tomografia por coerência óptica no domínio de Fourier. Estudos posteriores demonstraram a superioridade da TCO no domínio de Fourier em relação à TCO temporal com relação à sensibilidade, desviando o foco de diversos grupos que trabalham com TCO para esta modalidade em particular (LEITGEB, 2003). .. 1.2 Estudo de Propagação de Fratura em compósitos utilizando TCO Ao longo dos anos, a fratura após fadiga mostrou ser uma causa comum de falha das restaurações. A longevidade das restaurações é dependente de uma série de fatores, incluindo a habilidade do profissional, a técnica e os materiais utilizados, os cuidados do paciente com a higiene oral, o meio bucal e a susceptibilidade do paciente à cárie. A fadiga das restaurações dentais também é influenciada pela absorção de água pela matriz resinosa (TAKESHIGE, 2006; BRAEM, 1995; VALLITTU,1998) e pelas forças cíclicas mastigatórias (BRAEM, 1994; BARAN, 2001). Sendo assim, ciclagem térmica e mecânica podem causar fraturas a longo prazo de uso clínico (RANTALA, 2003; LASSILA, 2004).. Os estudos atuais sobre o princípio das fraturas mecânicas consideram o processo de fratura em três fases: fratura inicial (crack initiation), fratura de propagação lenta (slow crack growth) e fratura rápida (fast fracture). A última fase é muito curta em duração, já a fratura inicial é representada por heterogeneidades como porosidades, partículas, ranhuras na superfície e/ou no interior do material (FREIMAN, 1973). Cargas cíclicas conduzem à fratura denominada, fratura de propagação lenta. Exposição à água, adicionalmente, causa uma variedade de efeitos de enfraquecimento nas resinas compostas: degradação na interface partículas de carga/matriz.

(13) resinosa e um efeito visco-elástico na matriz. Todos estes efeitos aceleram a fratura de propagação lenta (SODERHOLM, 1990).. Existem três áreas características que envolvem a origem da fratura na superfície dos materiais frágeis. A primeira é geralmente uma região relativamente suave, conhecida por área de espelho (mirror region). A segunda é uma área de pontilhados discretos, chamada de região mista (mist region) e a terceira é uma região muito rugosa, um região em forma de entalhe (hackle region). Esta última região conduz a uma fratura macroscópica ramificada que é uma bifurcação da fratura principal. As fronteiras onde “mist, hackle e crack branching” podem ou não ser simétricas em relação à origem da fratura. A formação destas três regiões ocorre sob um característico fator de “stress” constante. (MECHOLSKY JR, 1995). No entanto, medir a propagação de fratura não é algo trivial porque a identificação da posição do ponto de início da fratura é difícil, considerando as dimensões reduzidas dos espécimes (GALYNA, 2005). Os estudos de propagação de fratura em materiais são realizados normalmente mediante a fractografia, a qual pode proporcionar entre outras coisas, a origem da fratura, a direção da propagação, o tipo de carga que a causou, etc (DELLA BONA, 2004). Apesar de bem estabelecida, a fractografia é um estudo apenas de superfície, além do que é necessário o preparo do corpo de prova para utilização em microscopia eletrônica de varredura, despendendo mais tempo para obtenção dos dados (MECHOLSKY, Jr., 1995). Neste trabalho são apresentadas imagens obtidas com a técnica de TCO da propagação de fratura na estrutura interna de um compósito. Foi possível visualizar, de forma não invasiva e não destrutiva, o sítio de início da fratura, a direção da propagação e as regiões características em torno da fratura. Os resultados obtidos demonstram a importância da técnica na caracterização de materiais dentários, abrindo uma importante janela de oportunidade inclusive para avaliações quantitativas..

(14) REFERÊNCIAS. HUANG,D. et al. Optical Coherence Tomography. Science v.254., p. 1178 – 1181, 1991.. BOUMA, B.E.; TEARNEY, G.J. Optical Sources. In____: Handbook of Optical Coherence Tomography. 1.ed. New York: Marcel Dekker, v.1, cap.3, p.67-98, 2002.. FUJIMOTO, J.G. Optical coherence tomography for ultrahigh resolution in vivo imaging. Nature Biotechnology. [Sl.] v. 21, n. 11, p.1361-1367, Nov. 2003.. KREMKAU F.W. Diagnostic Ultrasound: Principles, Instrumentation, and Exercises, 2. ed. Philadelphia: Grune and Stratton, 1984. FISH P. Physics and Instrumentation of Diagnostic Medical Ultrasound. New York: Wiley, 1990. KREMKAU F.W. Doppler Ultrasound: Principles and Instruments. Philadelphia: WB Saunders, 1990.. ZWIEBEL W.J. Introduction to Vascular Ultrasound. 3. ed. Philadelphia: WB Saunders, 1992.. ERBEL R., ROELANDT J.R.T.C; GE,J.; GEORGE,G. Intravascular Ultrasound. London: Martin Dunitz, 1998.. FUGIMOTO, J.G . Optical coherence tomography: Introduction, in Handbook of Optical Coherence Tomography, B. E. Bouma and G. J. Tearney, eds. (Marcel Dekker, Inc., New York), pp. 1–40, 2003. LEITGEB,R; HITZENBERGER,C.; FERCHER,A. Performance of Fourir domain vs time domain optical coherence tomography. Optics Express v.11, n., p.889-894, 2003..

(15) TAKESHIGE, F. et al. Fatigue behavior of resin composite in aqueous environments. Dental Materials, Article in Press, 2006.. BRAEM, M.J.A et al. In Vitro fatigue behavior of restorative composites and glass ionomers. Dental Materials, v.11, p 137-141, 1995.. VALLITTU,P. RUYTER,E.; EKSTRAND,K. Effect of watter storage on the flexural properties of E-glass and silica fiber acrylic resin composite. Inter J Prosthod, v. 11, p. 340-350, 1998.. BRAEM,M.; LAMBRECHTS, P.; VANHERLE,G. Clinical relevance of laboratory fatigue studies. Journal of dentistry, v.22, p.97-102, 1994.. BARAN, G.R., BOBERICK,K.G.; McCOOL,J.I. Fatigue of restorative materials. Crit. Rev Oral Biol Med, v.12, p.350-360, 2001.. RANTALA,L.I. et al. Fatigue resistance of removable orthodontic appliance reinforced with glass fibre weave. Journal of oral Rehabilitation., v.30, p.501-506, 2003.. LASSILA, L.V.J. et al Flexural properties of fiber reinforced root canal posts. Dental Materials, v.20, p.29-36, 2004.. FREIMAN, S.W.; MULVILLE,D.R. MAST,P.W. Crack propagation studies in brittle materials. Journal of Materials Science, v.8, p.1527-1533, 1973.. SODERHOLM, K.J. Influence of water exposure on the tensile strength of composites. Journal of Dental Research. V.69, p.1812-1816, 1990.. MECHOLSKY Jr, J.J. Fractogrphy: Determining the stes of fracture initiation. Dental Materials, v.11, p 113-116, 1995..

(16) GALYNA, M. et al. Evaluation of sub-critical fatigue crack propagation in a restorative composite. Dental Materials, v.21, p.252-261, 2005.. DELLA BONA, A.; ANUSAVICE, K.J.; MECHOLSKY,Jr, J.J. Fracture behavior of Lithia disilicate and leucite-based ceramics. Dental Materials, v.62, p.920-956, 2004..

(17) ANEXOS.

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